饱和蒸汽法模拟呼出气体酒精含量配气装置及其浓度算法

摘要

本发明公开了一种饱和蒸汽法模拟呼出气体酒精含量配气装置及其浓度算法，包括气源、质量流量控制器、蒸汽发生液罐、气阀、转子流量计和螺旋弯管。气源输出的气体分为三路分别作为稀释气和载带气体，对饱和蒸汽进行二级稀释。本发明的饱和蒸汽法模拟呼出气体酒精含量配气装置及其浓度算法，具有可非常方便地获得不同浓度的标准气体，且干气、湿气可以任意选定、温度可设定、输出流量可调等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种饱和蒸汽法模拟呼出气体酒精含量配气装置及其浓度算法。

背景技术

呼出酒精探测仪广泛用于公安交警日常的执法和安全生产中，是被列入强检目录的计量 器具。随着我国法制建设的不断完善，呼出酒精含量探测器的法定检定需求正被提高，因此， 可靠实用的检定装置就显得非常重要。

另外，国内公司或生产企业在研制和生产呼出酒精探测仪或其传感器时，只能使用功能 单一或偏离呼气特征的标准气体装置，因此给呼出酒精探测仪的研制和生产带来很大的困 难，由于难以使用到灵活可靠的装置，以至于难以弄清研制过程产生问题的原因。

目前我国乃至发达国家，尚无灵活快捷的“模拟呼出气体酒精含量配气装置”。国内外现 有的配气装置的工作方式主要有四种：

1）、静态容量法：用微量进样器抽取一定容量的乙醇液体，注入气化室内，在给定的流 量下，定时将气化乙醇带入防吸附的集气袋中备用；该方法获得的气体使用不便，效率极低， 完成一次特定的工作需要数次繁复的配气，并且只能提供干气；

2）、钢瓶罐装标气(重量法)：此方法也属于干气法，且存在不同压力下的吸附和均匀释 放问题；

3）、动态容量法：在给定的流量下，载气通过恒定温度的气室，将气室内由标准管定量 释放的乙醇气体均匀稳定地带入集气袋中，当达到一定的量后，多余的气体自动释放掉；此 方法也属于干气法；

4）、乙醇水溶液蒸汽法模拟装置，属呼出模拟气，属美国生产的设备，配制不同浓度时 要么用多个装置，要么交替配制；使用一定次数以后乙醇含量逐渐偏低，目前还因量值溯源 问题，不被国内的专家认可，难以作为标准装置使用。

发明内容

本发明是为避免上述已有技术中存在的不足之处，提供一种饱和蒸汽法模拟呼出气体酒 精含量配气装置及其浓度算法，以非常方便地获得不同浓度的标准气体且干气、湿气可以任 意设定、输出流量可调。

本发明提供了一种饱和蒸汽法模拟呼出气体酒精含量配气装置。

饱和蒸汽法模拟呼出气体酒精含量配气装置，其结构特点是，包括气源、质量流量控制 器、蒸汽发生液罐、气阀、转子流量计和螺旋弯管；质量流量控制器包括第一质量流量控制 器、第二质量流量控制器、第三质量流量控制器和第四质量流量控制器；蒸汽发生液罐包括 水蒸汽发生液罐和乙醇饱和蒸汽发生液罐；螺旋弯管包括第一螺旋弯管和第二螺旋弯管；

所述气源输出的气体分为三路输出：第一路气体依次通过第四质量流量控制器、水蒸汽 发生液罐和第二螺旋弯管输出，第二路气体依次通过第三质量流量控制器、第一螺旋弯管、 第二质量流量控制器和第二螺旋弯管输出，第三路气体依次通过第一质量流量控制器、乙醇 饱和蒸汽发生液罐、第一螺旋弯管、第二质量流量控制器和第二螺旋弯管输出；在所述第一 螺旋弯管和第二质量流量控制器之间的管路上设置有所述转子流量计；在所述水蒸汽发生液 罐的输入气管和输出气管之间设置有所述气阀。

本发明的饱和蒸汽法模拟呼出气体酒精含量配气装置的特点也在于：

所述蒸汽发生液罐内设置有用于测量所述蒸汽发生液罐内的液体的温度的温度传感器 和用于测量所述蒸汽发生液罐内的蒸汽的压力的绝压压力传感器；在所述蒸汽发生液罐内的 输入气管的下端浸入在液体之内，且在输入气管的下端部设置有花洒头。

本发明还提供了一种上述饱和蒸汽法模拟呼出气体酒精含量配气装置的浓度算法。

一种根据所述的饱和蒸汽法模拟呼出气体酒精含量配气装置的浓度算法，包括以下步 骤，

第一步：根据分压定律确定饱和蒸汽压的浓度C₀；

其中，$C_0=\frac{P\left(t\right)}{P_0}\times {10}^6---\left(1\right);$

式（1）中P(t)为饱和蒸汽的蒸汽压，P₀为乙醇储液罐上部气体的绝对压力，P(t)和P₀的单位均为kPa，C₀的单位为mol/mol；

第二步：进行第一级稀释，获得第一级稀释后的气体浓度C₁，其稀释公式如下：

$C_1=\frac{Q_1·\frac{P_0}{P_0-P\left(t\right)}}{Q_1·\frac{P_0}{P_0-P\left(t\right)}+Q_3}·C_0---\left(2\right);$

式（2）中：Q₁为第一级载带气体的流量，Q₃为第一级稀释气体的流量，为 在载带气体Q₁作用下流出饱和乙醇气体的流量；Q₁、Q₃和的单位均为ml/min；

第三步:获取第二级稀释气体的原气；通过质量流量控制器获取第二级稀释气体的原气， 多余气体通过转子流量计排空；通过质量流量控制器对各种组份气体须进行修正，相对于空 气而言，空气乙醇混合气体的修正系数为$k=\frac{0.31032+0.38838·C_1\times {10}^{-6}}{0.31246-0.03913·C_1\times {10}^{-6}},$此系数k与浓度 C₁有关；因此，第二级稀释气体的原气的流量Q₂要进行修正，实际流量按kQ₂计算；

第四步：进行第二级稀释，获得工作用标准气体；第二级稀释的稀释气体流量为Q₄， 但如该气需进行加湿时，其流量应考虑加入水蒸气的量，需按下式计算：

$Q_4·\frac{P_{W0}}{P_{W0}-P_w\left(t\right)}---\left(3\right);$

式（3）中：P_W0为水储液罐上部气体的绝对压力；P_w(t)为水的饱和蒸气压，P_W0和P_w(t) 的单位均为Pa；

所以二级稀释后的气体浓度为：$C_2=C_1·\frac{k·Q_2}{k·Q_2+Q_4·\frac{P_{W0}}{P_{W0}-P_w\left(t\right)}};$

第五步：对气体的浓度单位进行换算；

以上步骤中各浓度的单位为mol/mol，将其换算为对应于血液里酒精浓度C，则

$C=\frac{1}{2.3712}·C_2---\left(4\right);$

以上过程最终可合并为完整的公式为：

$C=\frac{1}{2.3712}·\frac{Q_1·\frac{P_0}{P_0-P\left(t\right)}}{Q_1·\frac{P_0}{P_0-P\left(t\right)}+Q_3}·\frac{k·Q_2}{k·Q_2+Q_4·\frac{P_{W0}}{P_{W0}-P_w\left(t\right)}}·\frac{P\left(t\right)}{P_0}\times {10}^6---\left(5\right);$

式（1）～式（5）中：C为输出乙醇气体的浓度，其中C的浓度已经已折算为100ml 血液中乙醇含量，其单位为mg/100ml；Q₁为第一级载带气体的流量，其单位为ml/min；Q ₂为第一级稀释后取样流量，是第二级稀释的原气流量，其单位为ml/min；Q₃为第一级稀释 气体的流量，其单位为ml/min；Q₄为第二级稀释气体的流量，其单位为ml/min；P₀为乙 醇储液罐上部气体的绝对压力，其单位为kPa；P(t)为乙醇的饱和蒸气压，其单位为kPa； P_W0为水储液罐上部气体的绝对压力，其单位为Pa；P_W(t)为水的饱和蒸气压，其单位为Pa； k为质量流量计F₂对乙醇气体流量的修正系数。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

饱和蒸汽法模拟呼出气体酒精含量配气装置采用的是饱和蒸汽作为标准原气，经过二级 稀释获得工作用气，在此过程中，需对一级稀释所获得的气体进行分流和取样，由于取样质 量流量控制器需在一定的气压条件下才能正常工作，所以这里采用转子流量计进行分流，利 用转子流量计的浮子产生分流压差，提供给质量流量控制器。另外，质量流量控制器是不受 压力和温度影响的流量器件，故可以调节转子流量计的针阀，获得合适的压力即可保证质量 流量控制器正常实施流量调节和控制。在加湿方式的设计中，之所以采样末端稀释气加湿的 方式，主要考虑乙醇的物理特性，在这种方式下，由于混合过程在装置的末端，并且是在动 态下，可以确保乙醇含量的稳定。独特的气路结构，使气路系统工作稳定，根据温度和压力 参数准确得出乙醇气体的浓度，由于装置采用动态方式连续供气，并且可在末端进行加湿选 择和加温选择，所以本发明具有极高的灵活性和极高的效率。

本发明所涉及的是一种利用饱和蒸汽法获得模拟呼出气体酒精含量的配气装置，由于流 经乙醇的载气能获得连续的饱和蒸汽，对此蒸汽进行二级稀释，再经由后级加温加湿（或不 加温不加湿），即可获得理想的标准气体。由于装置的流量任意可调，因此，可非常方便地 获得不同浓度的标准气体，且干气、湿气可以任意设定，温度可变，输出流量可调。由于这 种灵活性，对于呼出气体酒精含量探测器的研制、相关方面的科研工作具有相当灵活的优势。

本发明的饱和蒸汽法模拟呼出气体酒精含量配气装置及其浓度算法，具有可非常方便地 获得不同浓度的标准气体且干气、湿气（含水分）可以任意设定、温度可变、输出流量可调 等优点。

附图说明

图1为本发明的饱和蒸汽法模拟呼出气体酒精含量配气装置的结构示意图。

附图1中标号：1气源，2气阀，3转子流量计，4第一质量流量控制器，5第二质量流 量控制器，6第三质量流量控制器，7第四质量流量控制器，8水蒸汽发生液罐，9乙醇饱和 蒸汽发生液罐，10第一螺旋弯管，11第二螺旋弯管，12输入气管，13输出气管，14温度 传感器，15绝压压力传感器，16花洒头。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参见图1，饱和蒸汽法模拟呼出气体酒精含量配气装置，包括气源1、质量流量控制器、 蒸汽发生液罐、气阀2、转子流量计3和螺旋弯管；质量流量控制器包括第一质量流量控制 器4、第二质量流量控制器5、第三质量流量控制器6和第四质量流量控制器7；蒸汽发生 液罐包括水蒸汽发生液罐8和乙醇饱和蒸汽发生液罐9；螺旋弯管包括第一螺旋弯管10和 第二螺旋弯管11；

所述气源1输出的气体分为三路输出：第一路气体依次通过第四质量流量控制器7、水 蒸汽发生液罐8和第二螺旋弯管11输出，第二路气体依次通过第三质量流量控制器6、第 一螺旋弯管10、第二质量流量控制器5和第二螺旋弯管11输出，第三路气体依次通过第一 质量流量控制器4、乙醇饱和蒸汽发生液罐9、第一螺旋弯管10、第二质量流量控制器5和 第二螺旋弯管11输出；在所述第一螺旋弯管10和第二质量流量控制器5之间的管路上设置 有所述转子流量计3；在所述水蒸汽发生液罐8的输入气管12和输出气管13之间设置有所 述气阀2。

所述质量流量控制器、蒸汽发生液罐、气阀、转子流量计和螺旋弯管气体分为三路输出， 构成两级气体稀释气路系统。如图1中，第一质量流量控制器4、第二质量流量控制器5、 第三质量流量控制器6和第四质量流量控制器7的标识符号分别为F1、F2、F3和F4。

F1、F3的流量控制范围均为0～600ml/min，F2流量控制范围为0～1000ml/min，F4的 流量控制范围均为0～30L/min。

其中，第一级气路包含了F1和F3，F1和乙醇饱和蒸汽发生液罐构成载带气路，F3构 成稀释气路。第二级气路包含了F2和F4，F2作为第一级气路稀释后气体的取样流量控制器， F4作为第二级稀释气路的稀释气体流量控制器。

所述第一级气路中载带气路的F1输出的稳定气流，由带有花洒头16的输入气管12进 入乙醇饱和蒸汽发生液罐的底部。所述花洒头16上设置有多个气流分流孔。

所述水蒸汽发生液罐8和乙醇饱和蒸汽发生液罐9的为类似结构的罐体，罐体内插入有 温度传感器，罐体顶盖的内表面上设置有绝压压力传感器，输入气管的下端为花洒头，通过 顶盖上插接的输出气管将蒸汽导出到下一个部件中。

所述的乙醇饱和蒸汽发生液罐9内盛放一定量的乙醇溶液，其上部有绝压压力传感器、 饱和蒸汽输出气管，另装有测量液体温度的温度传感器。乙醇饱和蒸汽发生液罐的输出气管 输出的气体，与第一级稀释气路的F3的输出端的导气管所输出的气体一起输入至第一螺旋 弯管10之内，经过在第一螺旋弯管10内进行充分混合均匀后形成第一级稀释气体的原气。

所述第一级稀释气体的原气通过三通管分成两路，其中一路经由F2输出后作为第二级 稀释气体的原气，输入至第二螺旋弯管11内；另一路为多余气体，通过转子流量计10排空。 所述的转子流量计用于分流，同时利用浮子的阻滞作用产生适当的正压，使质量流量控制器 正常工作。

所述第二级稀释气路的气体经过F4再经由气阀2，与F2输出的气体一起经过第二螺旋 弯管11充分混合均匀后获得干的工作用标准气体；或者，所述第二级稀释气路的气体经过 F4再经由水蒸汽发生液罐8，与F2输出的气体一起经过第二螺旋弯管11充分混合均匀后获 得湿的工作用标准气体。

所述水蒸汽发生液罐与乙醇饱和蒸汽发生液罐基本相同，其上部也有绝压压力传感器、 饱和蒸汽输出气管，也装有测量液体温度的温度传感器13，但水蒸汽发生液罐另外配置有 加热装置，使其温度可在室温至35℃之间选定控制，其输出气管输出的含有水蒸汽的气体 与F2输出的气体相混合，能获得湿的工作用标准气体。

气阀2与水蒸汽发生液罐8之间为并联关系。当气阀打开时，F4输出的气体经过气阀 进入第二螺旋弯管11，其气体为不含水蒸气的干气。当气阀关闭时，F4输出的气体只能通 过水蒸汽发生液罐8的输出气管进入第二螺旋弯管11，其气体为包含了水蒸气的湿气。

气源输出的气体经过F1和乙醇饱和蒸汽发生液罐后获得含有乙醇的气体，含有乙醇的 气体由F3输出的气体来稀释，在第一螺旋弯管10内完成稀释和混合的过程，而后经F2送 至第二螺旋弯管11，以便于获得工作用标准气体。通过设置了并联的气阀和水蒸汽发生液 罐8，使得本发明的配气装置能够很方便地选择干气或湿气的配气模式，解决了现有技术中 只能选择一种气体的问题，且干气模式和湿气模式之间转换方便快捷。另外，通过为水蒸汽 发生液罐8设置加热装置和温度传感器，可以控制输出湿气的温度。通过四个质量流量控制 器，可以很方便地进行输出气体的流量调整。

所述蒸汽发生液罐内设置有用于测量所述蒸汽发生液罐内的液体的温度的温度传感器 14和用于测量所述蒸汽发生液罐内的蒸汽的压力的绝压压力传感器15；在所述蒸汽发生液 罐内的输入气管12的下端浸入在液体之内，且在输入气管12的下端部设置有花洒头16。 通过温度传感器和压力传感器对液罐内的气压和温度进行监控。通过采用花洒头，可使得进 入液罐内的气体比较均匀，并可降低喷出气体的压力，从而不会对液罐底部产生过大的冲击。

一种根据所述的饱和蒸汽法模拟呼出气体酒精含量配气装置的浓度算法，包括以下步 骤，

第一步：根据分压定律确定饱和蒸汽压的浓度C₀；

其中，$C_0=\frac{P\left(t\right)}{P_0}\times {10}^6---\left(1\right);$

式（1）中P(t)为饱和蒸汽的蒸汽压，P₀为乙醇储液罐上部气体的绝对压力，P(t)和P₀的单位均为kPa，C₀的单位为mol/mol；

第二步：进行第一级稀释，获得第一级稀释后的气体浓度C₁，其稀释公式如下：

$C_1=\frac{Q_1·\frac{P_0}{P_0-P\left(t\right)}}{Q_1·\frac{P_0}{P_0-P\left(t\right)}+Q_3}·C_0---\left(2\right);$

式（2）中：Q₁为第一级载带气体的流量，Q₃为第一级稀释气体的流量，为 在载带气体Q₁作用下流出饱和乙醇气体的流量；Q₁、Q₃和的单位均为ml/min；

第三步:获取第二级稀释气体的原气；通过质量流量控制器获取第二级稀释气体的原气， 多余气体通过转子流量计排空；通过质量流量控制器对各种组份气体须进行修正，相对于空 气而言，空气乙醇混合气体的修正系数为$k=\frac{0.31032+0.38838·C_1\times {10}^{-6}}{0.31246-0.03913·C_1\times {10}^{-6}},$此系数k与浓度 C₁有关；因此，第二级稀释气体的原气的流量Q₂要进行修正，实际流量按kQ₂计算；

第四步：进行第二级稀释，获得工作用标准气体；第二级稀释的稀释气体流量为Q₄， 但如该气需进行加湿时，其流量应考虑加入水蒸气的量，需按下式计算：

$Q_4·\frac{P_{W0}}{P_{W0}-P_w\left(t\right)}---\left(3\right);$

式（3）中：P_W0为水储液罐上部气体的绝对压力；P_w(t)为水的饱和蒸气压，P_W0和P_w(t) 的单位均为Pa；

所以二级稀释后的气体浓度为：$C_2=C_1·\frac{k·Q_2}{k·Q_2+Q_4·\frac{P_{W0}}{P_{W0}-P_w\left(t\right)}};$

第五步：对气体的浓度单位进行换算；

以上步骤中各浓度的单位为mol/mol，根据国际单位之间的换算关系和乙醇密度等参数， 将工作用标准气体的浓度的单位换算为对应于血液里酒精浓度C(mg/100ml)，则

$C=\frac{1}{2.3712}·C_2---\left(4\right);$

以上过程最终可合并为完整的公式为：

$C=\frac{1}{2.3712}·\frac{Q_1·\frac{P_0}{P_0-P\left(t\right)}}{Q_1·\frac{P_0}{P_0-P\left(t\right)}+Q_3}·\frac{k·Q_2}{k·Q_2+Q_4·\frac{P_{W0}}{P_{W0}-P_w\left(t\right)}}·\frac{P\left(t\right)}{P_0}\times {10}^6---\left(5\right);$

式（1）～式（5）中：C为输出乙醇气体的浓度，其中C的浓度已经已折算为100ml 血液中乙醇含量，其单位为mg/100ml；Q₁为第一级载带气体的流量，其单位为ml/min；Q ₂为第一级稀释后取样流量，是第二级稀释的原气流量，其单位为ml/min；Q₃为第一级稀释 气体的流量，其单位为ml/min；Q₄为第二级稀释气体的流量，其单位为ml/min；P₀为乙 醇储液罐上部气体的绝对压力，其单位为kPa；P(t)为乙醇的饱和蒸气压，其单位为kPa； P_W0为水储液罐上部气体的绝对压力，其单位为Pa；P_W(t)为水的饱和蒸气压，其单位为Pa； k为质量流量计F₂对乙醇气体流量的修正系数。

所述的乙醇的纯度为99.7%以上，其饱和蒸汽的蒸汽压P(t)（kPa）与液温度t（℃）按 下式计算：

P(t)=1.531804522+0.09557199t+0.004167695t²+0.0000668492t³-0.0000000674931t⁴+0.0000000124982t⁵。

所述的水的饱和蒸汽的蒸汽压P_W(t)（Pa）与水温度t（℃）按下式计算：

P_W(t)=611.05776+44.4645337t+1.41990447t²+0.027265409t³+0.000270627t⁴+0.00000275384t⁵。

公式说明：P(t)式，根据南京大学1989年出版的《实用化学便览》中“有机化合物蒸汽 压表”小于一个大气压下乙醇的饱和蒸汽压数据（这个表摘自Robert C.weast《CRC Handbook of chemistry and Physics》（63rd edition），1982～1983，D-203），按照幂级数待定 系数的方法（即待定系数法）获得。

所用到的乙醇的饱和蒸汽压数据

P_W(t)公式，根据常见的“水的饱和蒸汽压列表”，在常温范围内分散选择六个点（选择 其他点效果相同），也按照幂级数待定系数的方法获得。

所用到的水的饱和蒸汽压数据

  蒸汽压   935.223Pa   1402.51Pa   2197.57Pa   3168.74Pa   4495.02Pa   6279.33Pa   温度(℃)   6.0   12.0   19.0   25.0   31.0   37.0